一種數字跟蹤接收機中頻單元的設計與實現

胡天甲 張新嶺

摘 要：闡述了一種兼容C頻段和L頻段輸入的數字跟蹤接收機中頻單元的設計方案。針對整個中頻單元信號流程和設計方案進行詳細分析。給出測試結果為：相關雜散抑制優于-60 dBc（帶內），無關雜散抑制優于-95dBm（帶內），幅頻特性≤1.5dB。該設備已在工程中廣泛使用，性能穩定可靠，充分驗證了該方案的可行性。

關鍵詞：數字跟蹤接收機；中頻單元；兼容C頻段和L頻段輸入；自檢功能；小型化、低功耗

跟蹤接收機是現代測控通信系統的重要組成部分。隨著無線通信的數字化、小型化的發展趨勢，數字跟蹤接收機在現代通信領域發揮越來越重要的作用。數字跟蹤接收機廣泛采用的是中頻帶通采樣數字化技術，通過FPGA和DSP完成對70MHz中頻信號的數字信號處理。本設計中的中頻單元模塊就是完成將射頻信號變頻到70MHz中頻信號的功能，在不做硬件改動的情況下，通過軟件設置可以實現兼容C頻段和L頻段射頻的輸入信號，擴展了接收機的使用范圍。中頻單元還內置了信號發生模塊，可以在無外界輸入信號的情況下，對接收機的工作狀態和性能進行測試，方便跟蹤接收機的調試以及故障診斷等工作。

1 指標要求

輸入頻率范圍：L頻段（950MHz～1750MHz）；C頻段（2.2 GHz～3.8 GHz），輸出頻率范圍：70MHz ±500kHz，雜散要求：相關雜散（由于50dB）；無關雜散（由于-90dBm），幅頻特性：帶內優于2dB，鏡像抑制：優于55dB，頻率步進：1kHz。

2 變頻方案設計

中頻單元采用兩次變頻設計放方案，實現射頻信號到70MHz中頻信號的頻率轉換。具體實現框圖如圖一所示：

為滿足不同使用條件的要求，配合軟件設置，系統可以工作在兩種模式下：正常工作模式和自檢工作模式。在系統處于正常工作模式時，跟蹤接收機處于正常工作狀態，射頻開關選通到射頻信號輸入通路；在系統處于自檢工作模式時，跟蹤接收機處于調試檢測狀態，射頻開關選通到信號發生單元通路。

外界射頻輸入信號進過濾波處理后和信號發生單元的信號一起連接到射頻開關，由系統控制開關狀態，選通不同的通道。射頻開關輸出的信號經過放大濾波處理后輸入到第一級混頻器，與本振一的頻率進行第一級混頻處理。系統的第一級混頻采用的是高本振方案，本振一輸出的信號以500kHz步進遞進，輸出頻率比射頻輸入信號頻率高827MHz。

第一級混頻器輸出信號經過一個827MHz的窄帶聲表濾波器進行濾波，然后經過放大后輸入到第二級混頻器中，與第二級本振信號進行混頻處理。第二級混頻采用的是低本振方案，本振二輸出的信號以1kHz步進遞進，輸出頻率在757MHz左右。

第二級混頻器輸出的70MHz附近的中頻信號經過濾波放大處理后作為最終輸出信號使用。

3 硬件設計

3.1 信號發生模塊

信號發生模塊是采用的是RFMD公司的RFFC5071A芯片來設計實現。RFFC5071A是一款集成了VCO功能的頻率綜合器芯片，能在85MHz～4200MHz的覆蓋范圍內實現1.5Hz的頻率步進。RFFC5072采用Si CMOS工藝設計，在3V的工作電壓下最大功耗不超過400mW，滿足小型化和低功耗的設計要求。

在跟蹤接收機設置為自檢工作模式時，開關芯片在控制信號的驅動下切換到信號發生模塊通路，此時信號發生模塊處于激活狀態，配合軟件設置，能夠分別輸出L頻段和C頻段的任意頻點作為自檢信號以供系統測試使用。在跟蹤接收機處于正常工作模式時，開關芯片切換到射頻輸入通路，通過軟件設置，信號發生模塊進入到待機工作狀態。在待機工作狀態下，RFFC5071無信號輸出，配合開關芯片的隔離功能，能有效避免自檢模塊信號對正常射頻通道輸入信號的干擾。

3.2 本振一單元

本振一單元的主要功能是輸出一個LO信號，配合混頻器將射頻信號搬遷到第一級中頻827MHz。本振一單元實現框圖如圖二所示：

系統在第一級混頻處理時選用的是高本振方案，所以本振一單元的輸出頻率為射頻輸入信號頻率+827MHz。本振一單元中的頻率綜合器采用的是AD公司的ADF4350芯片設計實現，周圍集成一些其他芯片電路作為輔助，實現兼容L頻段和C頻段不同范圍的頻率輸出要求。ADF4350是一款集成了VCO功能的頻率綜合器芯片，在內置分頻器的配合下能實現137.5MHz～4400MHz的頻率輸出覆蓋。

⑴系統工作在L頻段：當系統工作在L頻段時，本振一單元的頻率輸出范圍為：1777MHz～2577MHz，ADF4350的輸出范圍可以直接完成對此頻率范圍的覆蓋。此時開關芯片在程序的控制下，切換到L通路，頻綜輸出的頻率信號經過L通路的帶通濾波器處理后，放大輸出至混頻器。

⑵系統工作在C頻段：當系統工作在C頻段時，本振一單元的頻率輸出范圍為3027MHz～4627MHz，ADF4350的輸出范圍無法完整覆蓋這個頻段。所以在實際使用中，選擇ADF4350輸出1513.5MHz～2313.5MHz。此時開關芯片在程序的控制下，切換到C通路，頻綜輸出的頻率經過放大處理后送給倍頻器芯片，然后經帶通濾波、放大處理后輸出至混頻器。

3.3 第二級混頻單元（集成本振二）

第二級混頻單元的功能是將濾波處理后的第一級中頻信號變頻到70MHz，本方案采用RFMD公司的RFFC2072A芯片完成這部分功能。RFFC2072A是一款集本振模塊、混頻模塊于一體的射頻芯片，它能夠在85MHz～2700MHz的頻率輸出范圍內實現1.5Hz步進頻率遞進，內置的混頻模塊可以工作在30MHz～2700MHz頻率范圍內，滿足系統設計要求。

RFFC2072A內置的本振模塊是一款基于小數分頻技術設計的頻率綜合器，先進的設計工藝以及技術，使其輸出的頻率具有出色的相位噪聲性能和雜散性能。單片化的設計方案不僅能減小功耗和設計尺寸，也能有效的增強系統的穩定性。

3.4 印制板的設計實現

印制板是采用FR-4材質的6層電路板設計實現，整個盒體尺寸為70mm×50mm×10mm。由于系統采用多層板設計結構并且盒體空間狹小，電路中的數字信號和模擬信號共存，頻率分量十分豐富，這就對系統的EMC設計提了很高的要求。

在實際設計過程中，運用ADS軟件對位于不同層上的不同頻率段的信號分別進行了參數仿真，并用Cadence軟件對印制板電路進行信號完整性分析，盡可能的減小信號在走線過程中由于阻抗失配產生的輻射。每個芯片都盡量采取獨立電源模塊供電，芯片的供電管腳附近就近連接了豐富的電容進行濾波處理，并將電源層獨立劃分出來，以避免干擾信號在電源回路上的竄擾。

4 結論

本文介紹了一種數字跟蹤接收機的中頻單元設計方案。該設計方案在軟件配置下，能夠兼容C頻段和L頻段的射頻輸入信號。在實際應用過程中，通過不斷的實驗及改進， 該中頻單元各項參數均能滿足系統指標要求。采用本方案設計的數字跟蹤接收機已經在工程中應用，性能穩定可靠。

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